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Strahlungswärme
Prof. Dr.-Ing. habil. W. Richter
Wärme ist – neben der potentiellen, kinetischen, elektrischen und chemischen Energie und
der Kernenergie - wohl die bekannteste, weil direkt fühlbare Energieform. Alle Erscheinungsformen der Energie lassen sich verallgemeinert beschreiben und in gleichen Einheiten bemessen – sei es die Energie im Kraftstoff, in der Nahrung oder die aus der Steckdose.
Die Übertragung von Wärmeenergie von einer Quelle auf einen Nutzer oder Verbraucher
kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Geläufig ist die Wärmezufuhr auf den menschlichen Körper mit einem Wärmeträger, zum Beispiel mit warmem Wasser oder erwärmter Luft.
Aber auch durch Strahlung kann Wärme übertragen werden – dafür bedarf es keines Transportmediums; Energie kann nämlich auch im luftleeren Raum ohne einen Wärmeträger
transportiert werden - auf diese Weise erhalten wir nur auf dem Strahlungswege die Energie
von der Sonne.
Sonnenenergie wird auf der Erde über die Photosynthese in Pflanzenwachstum umgewandelt, was wiederum unabdingbare Voraussetzung für die gesamte Nahrungskette ist. Wenn
wir heute sogenannte Primärenergieträger wie Erdöl, Erdgas oder Kohle nutzen, so sind das
letztlich Früchte aus Energieumsetzungsprozessen vergangener Jahrtausende, welche mit
Hilfe der Photosynthese stattgefunden haben.
In dem von der Sonne ausgesandten Spektrum elektromagnetischer Wellen sind zwei Bereiche für das Leben auf der Erde besonders wichtig: der Bereich des sichtbaren Lichts und ein
Teil des infraroten Spektrums.
Als „Infrarot“ wird eine elektromagnetische Strahlung bezeichnet, welche im elektromagnetischen Spektrum „jenseits des Rot“, also im Wellenlängenbereich zwischen etwa 1 µm und
1000 µm Wellenlänge liegt. Der in Bild 1 dargestellte Bereich ist ein kleiner Ausschnitt aus
dem gesamten elektromagnetischen Spektrum. Angegeben ist hier die Wellenlänge in Mikrometer (Formelzeichen λ)1. Seitlich des sichtbaren Lichts schließt sich nach links (also nach
kürzeren Wellenlängen hin) das Ultraviolett und nach rechts (mit größeren Wellenlängen) der
infrarote Bereich an. Das Ultraviolett wird, ausgehend vom sichtbaren Licht, noch in A1, A2,
B und C unterteilt. Ähnliches gilt für das Infrarot: Infrarot-A liegt nahe beim sichtbaren Licht,
Infrarot-C ist das langwellige Infrarot.
Es ist bekannt, dass Ultraviolett B und C bei starker Einstrahlung Hautschäden (Sonnenbrand) hervorruft. Infrarot C bewirkt dagegen beim Auftreffen auf die Haut einen wohltuenden
Effekt: wir empfinden sofort „Wärme“. Maßgebend dafür ist der relativ schmale Bereich zwischen 8 und 10 Mikrometer Wellenlänge.
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Im technischen Bereich ist dagegen die Angabe in Hertz (Schwingungen pro Sekunde, also Hz, kHz,
MHz, GHz usw.) üblich.
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Bild 1: Elektromagnetisches Spektrum (Ausschnitt)
Jeder Stoff absorbiert Strahlung, d. h. er nimmt sie auf, und kann seinerseits Strahlung aussenden (emittieren heißt der Fachbegriff). Beides hängt sehr von Stoffeigenschaften ab. Polierte metallische Oberflächen reflektieren sehr gut und absorbieren wenig, während matte
und raue Oberflächen gut absorbieren und ebenso gut emittieren.
Die Temperatur und die Beschaffenheit der Oberfläche bestimmen wesentlich die Emission
von Strahlung. Allgemein gilt: höhere Temperatur entspricht einer kürzeren Wellenlänge, und
auf diese Weise existiert ein direkter Zusammenhang zwischen der Temperatur einer strahlenden Fläche und der Wellenlänge der abgegebenen Strahlung. Beispielsweise liegt das
Strahlungsmaximum eines Körpers mit einer Oberflächentemperatur von 30 °C, was ungefähr der Oberflächentemperatur der Haut entspricht, bei λ = 9,5 µm Wellenlänge.
Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann Wärme nur von einem wärmeren
auf einen kälteren Körper übergehen. Erst bei Temperaturen, die höher sind als die Körpertemperatur des Menschen, wird von ihm Strahlung absorbiert – und so ist von jeder Wärmequelle, deren Oberflächentemperatur die Körpertemperatur übersteigt, eine fühlbare Wärmewirkung zu erwarten. Soll eine dem Menschen von außen durch Strahlung zugeführte
Energie möglichst effektiv als Wärme wirksam werden, braucht die Oberflächentemperatur
eines Strahlers die Körpertemperatur des Menschen nicht wesentlich zu überschreiten. In
niedriger Entfernung wird sofort eine fühlbare Wärme erzeugt. Der gute alte Kachelofen ist
ein schönes Beispiel dafür.
Traditionelle Heizsysteme benutzen vorwiegend lokale Wärmequellen mit kleinen Abmessungen, welche dann entsprechend höhere Temperaturen aufweisen müssen, um genügend
Energie in den Raum einzutragen. Sie treiben eine Luftströmung an, die Raumluft dient als
Transportmedium für die Wärme, die Heizung erfolgt vorwiegend konvektiv. Die Nachteile
sind bekannt: Staubablagerungen in Konvektornähe, unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Raumpunkten, Kondensatbildung an kühlen Stellen usw.
Fußbodenheizungen wirken großflächiger, transportieren aber ebenso mit der aufsteigenden
Luft Staub vom Boden mit in den Raum.
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In jüngerer Zeit gewinnt das Prinzip der „warmen Wand“ immer mehr Anhänger (siehe Bild
2). Der Grund dafür ist eigentlich simpel: die Temperaturunterschiede an verschiedenen
Raumpunkten bleiben gering, und der Wärmetransport erfolgt vorwiegend durch Strahlung.
„kalte“ Wand:
der Mensch hat eine höhere
Temperatur als die Umgebung
- er gibt Wärme ab
„warme“ Wand:
die Umhüllungskonstruktion
gibt Infrarot-C ab
- der Körper nimmt
allseitig Wärme auf
Bild 2: Prinzip der kalten und warmen Wand
Natürlich lässt sich eine Wandheizung auch mit Warmwasser betreiben, welches durch in die
Wand eingelassene dünne Schläuche zirkuliert – die Investitionen bleiben aber hoch, und
der Aufstellung von Möbeln oder dem Anbringen von Wandschmuck sind enge Grenzen gesetzt. Hier sind elektrisch betriebene großflächige Heizsysteme eindeutig im Vorteil:
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Da die energieabgebende Fläche um ein Vielfaches größer ist als bei linien- oder
punktförmigen Quellen, wird das für die thermische Behaglichkeit so wichtige Prinzip
der „warmen Wand“ nahezu ideal realisiert.
Die Wärmeenergie wird vorwiegend durch Strahlung übertragen; der konvektive Anteil bleibt klein.
Die Oberflächentemperaturen zeigen das Strahlungsmaximum in die Nähe des besten Wärmeempfindens des Menschen, nämlich in dem Bereich zwischen 8 und 10
Mikrometer Wellenlänge.
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Eurotherm-Teilspeicherheizungen arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die Bilder 3 und 4
sind Aufnahmen von zwei Typen dieses Systems mit einer hochauflösenden InfrarotKamera. Dabei wird einem Temperaturwert jeweils eine Farbe zugeordnet (sog.
Falschfarbenaufnahmen). Auf der rechten Seite der Bilder ist jeweils die zugehörige
Temperatur- und Farbkale wiedergegeben.
60,0°C
60
40
20
0,0°C
0
Bild 3: eurotherm-Teilspeicherheizung HE 4, 20 Minuten nach Inbetriebnahme.
80,0°C
80
60
40
20
0,0°C
0
Bild 4: eurotherm-Teilspeicherheizung HE 11, 90 Minuten nach Inbetriebnahme
(ohne Regelung, d. h. Dauerbetrieb)
Beide Bilder zeigen eindrucksvoll die nahezu gleiche Temperatur über der gesamten
Oberfläche. Das bedeutet gleichzeitig eine homogene Strahlungsverteilung, was ganz
wesentlich für ein behagliches Wärmeempfinden ist. Die infolge der hohen Auflösung
sichtbaren, subjektiv aber nicht mehr spürbaren Unterschiede weisen auf Einbauten
(Anschluß- und Verbindungstechnik) hin, welche nicht direkt an der Wärmebildung beteiligt
sind.
Thermische Behaglichkeit ist eine Voraussetzung für ein gutes Raumklima. Mit
Flächenstrahlern wird sie elegant und kostengünstig erzielt.
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Einige Bemerkungen zum Elektrosmog
Das Wort “Elektrosmog” geht zurück auf den schon vor vielen Jahrzehnten geprägten Begriff
des Smogs für eine typisch englische Industrieatmosphäre als Mischung aus Rauch (smoke)
und Nebel (fog). Mit der zunehmenden Benutzung elektrischer und elektronischer Geräte in
unmittelbarer Nähe des Menschen, zum Beispiel von Mobiltelefonen (Handys), kann von
diesen und anderen Geräten auch eine nachteilige Wirkung auf den Menschen ausgehen,
welche landläufig als Elktrosmog bezeichnet wird.
Ausführliche Messungen haben ergeben, dass die elektrischen und magnetischen Feldstärken, welche von den eurotherm-Teilspeicherheizungen im Gebrauchsabstand ausgehen,
zum Teil weniger als ein Prozent der strengen EU-Grenzwerte betragen. Im Abstand von
einem Meter wurden (bei 50 Hz) beispielsweise nur noch (0,3 ... 0,4) µT gemessen Der hier
zulässige EU-Grenzwert beträgt 100 µT. Damit sind Bedenken in dieser Hinsicht völlig gegenstandslos.
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